表面工程-绪论.ppt

1 绪论,教学目的和要求,掌握表面工程的定义、分类、特点（意义）等。,1.1 表面工程学的定义和内涵,表面工程学是上个世纪八十年代中期才出现的一门新学科。 它是在传统的表面硬化技术和腐蚀防护基础上，引入了一些科技新成就，如气相沉积，离子注入，激光、电子束和等离子等技术后，拓宽了表面工程的应用范围，使其成为表面硬化、表面防腐、机械修复(再制造)，新材料制造、功能材料、复合材料、表面装饰和表面精细加工等方面不可或缺的工艺手段，被广泛应用于机械、电子、冶金、建筑、交通、航空航天、核工业及日常生活用品等领域，逐渐形成了一门独立的学科。 表面工程技术被喻为上个世纪80年代以来世界十项关键技术之一。 上世纪80年代后期，美国商业部就将表面工程技术列入影响21世纪人类生活的七大关键技术之一（计算机科学、生命科学、新能源技术、新材料技术、信息技术和先进制造技术）。,材料表面工程的应用范围： 表面强化 防腐工程 零部件修复 电子电路 传感器与自动控制 ,在航空航天方面的应用,在防护上常用涂镀技术，热浸镀技术，物理和化学气相沉积技术（PVD，CVD）来提高飞机、运载火箭、卫星、宇宙飞船、导弹在各种飞行恶劣环境下对材料性能产生的影响进行防护。,在航空航天方面的应用,通过表面技术处理，提高材料性能，起到保护航空航天飞行器免遭环境影响而失效，从而提高航空航天产品的先进和使用的可靠性。,在航空航天方面的应用,如第四代的飞机，在停飞和飞行过程中，可能遇到50的空气摩擦升温至200，因而在飞机蒙皮的表面涂上高聚物涂料免受环境介质侵蚀，减少阻力。,飞机的蒙皮、雷达罩、发动机的尾喷管、座舱都采用隐身涂层，雷达罩和尾喷管采用SnO2和In2O3等掺杂半导体材料作填料和适当的载流子浓度及迁移率以及等离子体频率，使其具有兼容雷达和红外隐身。美国的TF39发动机轴承，离子注入铬磷，可解决点蚀、磨蚀，提高发动机轴承的使用寿命。,在航空航天方面的应用,奔 驰 系 列,在汽车工业中的应用,在车身涂装上，设计选用电泳底漆、中间涂层、面漆三涂层体系，不仅使车身具有防腐蚀功能，更具有亮丽、闪光色彩。,一、表面工程技术的定义,为满足特定的工程需求，使材料或零部件表面具有特殊的成分、结构和性能(或功能)的化学、物理方法与工艺。,二、表面工程技术的内涵,表面改性技术 表面合成材料技术 表面加工技术 表面加工三维合成技术 上述要点的组合或综合,几种常见的表面工程技术,金属材料表面工程学的地位,表面工程技术所涉及的基材包括几乎所有的工程材料，如金属、陶瓷、半导体材料、高分子材料、混凝土、木材和各类复合材料等。 金属材料，特别是钢铁材料，目前仍旧是机械、设备和工程构件的主要材料。 机械行业中： 钢铁材料：93% 有色金属：2% 非金属材料：5%,机械零件失效的主要形式,塑性变形：材料强度不足或过载使用； 断裂：韧性断裂、脆性断裂和疲劳断裂； 磨损：按磨损机理分为磨料磨损、冲蚀磨损、粘着磨损和疲劳磨损等七大类； 腐蚀：在环境及周围介质作用下产生。 在以上四种失效形式中，磨损、疲劳和腐蚀占80%以上。 实验证实：失效通常是从材料的表面开始的，而且往往是因其表面性能不高所致。 研究金属材料的表面及其相应的强化方法有十分重要的意义。,1.2 表面工程技术的特点与意义,表面工程技术具有一般整体材料加工技术不具备的优点。 主要作用在基材表面，对远离表面的基材内部组织与性能影响不大。因此，可以制备表面性能与基材性能相差很大的复合材料。 采用表面涂(镀)、表面合金化技术取代整体合金化，使普通、廉价的材料表面具有特殊的性能，不仅可以节约大量贵重金属，而且可以大幅度提高零部件的耐磨性和耐蚀性，提高劳动生产率，降低生产成本。 可以兼有装饰和防护功能，有力推动了产品的更新换代。 表面薄膜技术和表面微细加工技术具有微细加工功能，是制作大规模集成电路、光导纤维和集成光路、太阳能薄膜电池等元器件的基础技术。 二维的表面处理技术已发展成为三维零件制造技术（生长型制造法），不仅大幅度降低了零部件的制造成本，亦使设计与生产速度成倍提高。 表面工程技术已成为制备新材料的重要方法，可以在材料表面制备整体合金化难以做到的特殊性能合金等。,1.2 表面工程技术的分类,表面改性技术 表面组织转化技术 表面涂镀技术 表面合金化和掺杂技术 表面微细加工技术 表面加工三维成型技术 表面合成新材料技术,思考题,机械零部件失效的主要形式有哪些？研发表面工程技术有何意义？ 试举例说明表面工程技术的作用。,本章结束！,表面强化技术的分类及概况,通常按表面强化技术的性质分类，可以分为： 化学热处理表面强化； 表面淬火强化； 表面覆层（化成处理覆层、覆衬、涂装、CVD、PVD薄膜和热浸渗）强化、防腐及装饰； 表面形变强化； 表面高能量密度改性与强化(高能束表面改性强化)； 表面精细(微细)加工； 表面复合强化等。,化学热处理表面强化 即用渗入原子在材料表层内扩散而形成人工内污染层，以改变表层的化学成分为先决条件，再进行不同的热处理后赋与零件表面和内部不同的组织，从而具有不同性能的表面强化方法。 例如：钢的渗碳、氮化、碳氮共渗、渗硼、热浸渗和渗金属等。,表面淬火 不改变材料的化学成分，只是因表层相变而产生的强化方法称为表面淬火。 例如：高频、中频和表面感应加热淬火、火焰加热表面淬火、电子束、激光（Laser）束加热表面淬火等。,表面形变强化 在金属材料的再结晶开始温度之下，使其表层发生冷塑性变形后达到表层加工硬化，以弥补其表面轻微脱碳和细小缺陷并形成表层残余压应力的强化方法称为表面冷塑性变形强化。 其显著作用就是提高金属材料及其制品的高周疲劳寿命，且材料本身强度愈高，其表面冷塑性变形强化效果愈显著。 方法有：表面滚压、内孔挤压和表层喷丸强化。其中，喷丸强化目前用得最为普遍。,表面覆层强化及装饰 使金属表面获得特殊的覆盖层，以提高其耐磨、耐蚀、抗疲劳及装饰等为目的工艺方法都称为表面覆层强化及装饰。包括：表面镀膜，化成处理和表面覆层与覆衬。 表面镀膜主要有物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）和分子外延技术等； 化学处理主要有：化学镀、电镀、发蓝、发黑、磷化和铝的阳极氧化等； 表面覆层主要为热喷涂、热喷焊、热堆焊覆层（衬）和用玻璃和地沥清等覆衬于其表面，以达到耐热、耐蚀、防滑、修复尺寸和使其有特殊物理化学性能等目的。,高能束表面改性强化 以极高能量密度的电子束及Laser束等作用于金属表面使其发生物理化学变化，达到强化或表面改性的目的称为高能量密度表面强化。 其特点是：方法简单、时间短、变形小、高效率等，但设备复杂，造价高。高能量密度表面强化采用的能源有：电子束、激光束、太阳能和高频冲击表面感应加热等。 能量密度：以电子束和激光束提供的能量密度最高，可达到：108109W/cm2。火焰和高频加热的能量密度为102103W/cm2。 Laser被美国和俄罗斯首先用于工业表面处理上,我国上海光机所于90年代曾用于齿轮的齿面淬火。,表面复合处理 将两种或两种以上的表面处理(或强化)工艺用于同一工件的表面强化的方法称为表面复合处理。 目的是：发挥各自的优点,更大限度地提高金属的表面性能。 例如：热浸镀铝+热扩散和热浸镀锌+热扩散可使镀层结合牢固;渗碳热处理+喷丸;离子注入+气象沉积等。,表面技术： 包括表面改性、薄膜技术、涂层技术等。 表面工程技术：成套技术组合。 主要作用：提高构件的耐蚀性、耐磨性以及获得电、磁、光等功能性表面层。,表面工程(定义)： 经表面预处理后，通过表面涂覆、表面改性或多种表面工程技术复合处理，改变材料表面的形态、化学成分和组织状态，在保证材料整体强度水平不降低的基础上，以获得所需表面性能的系统工程。 表面工程(特点)： 使材料基体强度不变的前题条件下，设法使其表面具有各种优异的特殊性能。例如：高硬度、高耐磨性、耐蚀、抗疲劳（接触、高周、腐蚀疲劳等）特殊的物理和化学性能（反光、吸收电磁波、发光、电导、电绝缘性能、记忆和阻热等）和生物相容性涂层及注入层等。此外，还常用于装饰处理上。,